I tessuti intelligenti rappresentano un salto trasformativo nella tecnologia indossabile, che va oltre i semplici sensori basati su tessuti a sistemi elettronici completamente integrati che possono monitorare la salute, migliorare la comunicazione e adattarsi alle condizioni ambientali. Tuttavia, una limitazione persistente è stata l'affidabilità delle batterie esterne, che aggiungono massa, richiedono frequenti ricarica e creano sfide di smaltimento. L'integrazione delle celle solari con elettronica flessibile indirizza direttamente questo collo di bottiglia consentendo tessuti intelligenti autoalimentati che raccolgono energia da fili di luce ambientale.

Il concetto di Smart Textiles auto-rifornito

L'integrazione di un tessuto flessibile e flessibile, che consente di mantenere i componenti di un tessuto elastico, è un'analisi di tipo semi-funzionale, che consente di mantenere l'intero tessuto, senza dover ricorrere a un'analisi di tipo estensibile.

Tipi di celle solari utilizzate nei tessuti

La scelta della tecnologia fotovoltaica è fondamentale per raggiungere sia l'alta efficienza che la compatibilità meccanica con i tessili. Tre principali tipi di celle solari sono emersi come candidati leader, ciascuno con vantaggi distinti e sfide di ricerca in corso.

Celle solari organiche

Le celle a vuoto organiche sono fabbricate da polimeri semiconduttori a base di carbonio e piccole molecole. Il loro vantaggio principale è la flessibilità meccanica insita — i film OPV possono essere piegati, piegati, e anche allungati in qualche modo senza un guasto catastrofico. Sono anche leggeri e possono essere trattati con tecniche di stampa a basso contenuto di temperatura, roll-to-roll, che è compatibile con la produzione di tessuti su larga scala.

Perovskite celle solari

Le cellule solari perovskite (PSC) utilizzano un materiale ibrido organico-inorganico o di latta con una struttura di cristallo che consente un eccezionale assorbimento della luce e un trasporto a carica.

Celle solari asimmezzate

Le celle solari dentate (DSSC) utilizzano un tessuto di tintura fotosensibilizzante o un tessuto di tipo mesoporoso (TiO2) impalcatura, immerso in un elettrolito, con un controelettrodo. I DSSC offrono buone prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione e di interni, rendendole adatte per i tessuti intelligenti che possono operare in ambienti ombreggiati.

Sfide in Integrazione e Soluzioni

Traslating celle solari di laboratorio ad alta efficienza in tessuti robusti e indossabili presenta una serie di sfide ingegneristiche che abbracciano la scienza dei materiali, la progettazione meccanica e la scala di produzione.

Lavabilità e durata

I tessuti intelligenti devono resistere a ripetuti cicli di lavaggio, tipicamente 50–100 lavaggi, senza degradare le prestazioni elettriche o la delaminazione dei componenti. Ciò impone requisiti rigorosi sull'incapsulamento. Le soluzioni includono l'incorporazione delle celle solari in un panino polimerico ermetico (ad esempio, TPU o PDMS) che resiste all'ingresso dell'acqua, utilizzando connettori resistenti all'acqua e progettando interconnessioni che possono tollerare completamente le forze meccaniche di un'espansione di un'inciamplibrazione di un sistema di un'elettronica.

Flessibilità e comfort

Per mantenere il comfort tessile, le celle solari devono essere distribuite come piccole isole (ad esempio, patch da 5-10 mm) collegate da tracce conduttive allungabili, molto simile a un circuito stampato flessibile. Il tessuto stesso deve mantenere la sua traspirabilità, umidità wicking e proprietà tattili. Questo può essere raggiunto utilizzando un tessuto di rete o una struttura di rete elettronica dove la fibra di vetro è più bassa.

Efficienza di conversione energetica in illuminazione variabile

A differenza dei pannelli solari sul tetto, i tessuti intelligenti sono spesso parzialmente ombreggiati, curvati o orientati ad angoli obliqui al sole. Questo riduce drasticamente l'energia disponibile. I circuiti di monitoraggio del punto di potenza massimo (MPPT) possono essere integrati per ottimizzare l'estrazione di energia, ma a costo di maggiore complessità e consumo energetico. Alcuni progetti utilizzano un insieme di celle più piccole connesse in parallelo per mitigare le perdite di ombreggiatura.

Scalabilità e costi di produzione

La produzione di tessuti integrati a livello solare richiede l'unione di due ecosistemi di produzione molto diversi: la fabbricazione dei semiconduttori e la tessitura tessile. La stampa a rulli su pellicole flessibili è compatibile con la laminazione dei tessuti, ma l'allineamento e il throughput rimangono sfide. Il costo delle celle solari flessibili (soprattutto perovskites) è ancora più alto dei moduli in silicio, anche se le economie di scala dovrebbero ridurre i costi.

Sicurezza e Tossicità

La presenza di piombo nelle cellule perovskite e il potenziale di perdite di elettrolita nei DSSC sollevano preoccupazioni di sicurezza per gli indossabili che contatto la pelle. L'incapsulamento deve impedire qualsiasi rilascio di materiali pericolosi durante l'uso o dopo lo smaltimento. Perovskite prive di piombo e gli elettroliti DSSC a stato solido sono aree di ricerca attive. Inoltre, il sistema elettronico non deve generare eccessiva irritazione termica o causare irritazione della pelle, richiedendo un'attenta gestione termica e rivestimenti biocompatibili.

Applicazioni di tessuti intelligenti auto-riforniti

La capacità di raccogliere energia dalla luce solare direttamente sul corpo apre una vasta gamma di applicazioni che erano precedentemente vincolate dalla durata della batteria.

Sport e Fitness

I pannelli solari sulle spalle o sul retro possono alimentare continuamente i sensori e trasmettere i dati a uno smartphone o un allenatore in tempo reale. Per i corridori, i ciclisti, o gli appassionati esterni, questo elimina la preoccupazione di esaurimento della batteria durante le lunghe sessioni.

Ingranaggio militare e tattico

I soldati del campo trasportano batterie pesanti per la visione notturna, la comunicazione e l'attrezzatura di navigazione.Le uniformi integrate solari possono ridurre tale onere raccogliendo energia dalla luce solare durante i periodi di pattuglia o stazionari. Il Laboratorio di Ricerca dell'Esercito degli Stati Uniti ha sviluppato pannelli solari flessibili che possono essere cuciti su cinghie e copricaschi. Questi sistemi devono essere robusti, compatibili con il camuffamento e in grado di operare in condizioni ambientali intense.

Tessuti medici

I pazienti che richiedono un monitoraggio continuo della salute, come ECG, ossigeno nel sangue o rilevamento del glucosio, beneficiano di capi che non hanno mai bisogno di un cambio di batteria. I tessuti intelligenti alimentati a energia solare possono essere integrati in abiti ospedalieri, maniche a compressione o cerotti di monitoraggio dei neonati.Per la cura delle ferite, le celle solari flessibili possono alimentare sensori a bassa potenza che rilevano i biomarcatori delle infezioni o forniscono stimolazione elettrica per promuovere la guarigione.

Abbigliamento da lavoro e outdoor

I lavoratori in luoghi remoti (ad esempio, i tecnici dell'azienda solare, la costruzione, la silvicoltura) possono indossare giacche alimentate a energia solare che ricaricano l'elettronica portatile, come radio a due vie o beacon di sicurezza. Allo stesso modo, gli escursionisti e i camper possono beneficiare di indumenti autoalimentati che caricano dispositivi GPS o locatori di emergenza.

Prospettive e direzioni di ricerca

Il settore dei tessili intelligenti autoalimentati sta avanzando rapidamente, con diverse aree chiave di innovazione che si aspettavano di portare l'adozione nei prossimi cinque-dieci anni.

Conservazione dell'energia avanzata

La natura intermittente della luce solare richiede lo stoccaggio dell'energia all'interno del film. Le batterie agli ioni di litio e i supercondensatori a forma di fibra sono i candidati principali. La ricerca recente ha prodotto [ supercondensatori a forma di fibra] che possono essere tessuti in tessuto, ottenendo alta densità di energia e velocizza di carica.

Materiali avanzati per un'efficienza e una durata più elevate

Le cellule tandem per peruvskite-silicon su substrati flessibili hanno raggiunto oltre il 30% di efficienza nei laboratori, e l'adattamento a questo per i tessuti è un obiettivo importante. Nel frattempo, materiali upconversion che convertono la luce infrarossa alla luce visibile potrebbero aumentare le prestazioni in condizioni ombreggiate o interne.

Produzione scalabile e design sostenibile

Per passare dai prototipi alla produzione di massa, l'industria tessile deve adottare fotovoltaica a rullo] e digital Print dei circuiti elettronici.

Integrazione con l'elettronica energetica-consapevole

I futuri tessuti intelligenti incorporano microcontrollori ultra-bassi che possono passare dinamicamente tra le fonti di energia (solare, batteria, movimento raccolto) e regolare i tassi di campionamento dei sensori in base all'energia disponibile.

Conclusioni

L'integrazione delle cellule solari con elettronica flessibile sta rimodellare il paesaggio della tecnologia indossabile, trasformando i tessuti passivi in sistemi attivi e autonome. incorporando materiali organici, perovskite, o tinture-sensitized solari in tessuti e abbinandoli con l'accumulo di energia flessibile e l'elettronica intelligente, i ricercatori stanno superando la limitazione di lunga durata della dipendenza dalla batteria.

[LT]]Inoltre, leggi: Per una visione più approfondita del fotovoltaico flessibile, vedi la recensione di Li et al. in Nature Electronics (2022]]].